de Se gurança e Alí vio de

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA ENG TRABALHO DE DIPLOMAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA Dimensionamento de Válvul as de Se gurança e Alí vio de P res são atuando com Flu idos Bi fási cos Autora: Adriana Karla Goulart Orientador: Prof. Dr. Rafael de Pelegrini Soares Coorientadora: Eng. Patrícia Arrieche Fernandes Porto Alegre, julho de 2012

2 Dimensionamento de Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão atuando com Fluidos Bifásicos Agradecimentos Hoje concretizo o meu primeiro desafio profissional, mas sei que jamais conseguiria sozinha. Por isso, agradeço a Deus por guiar os meus passos, me dar forças para seguir adiante e superar os obstáculos deste trabalho. Agradeço ao Departamento de Engenharia Química da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, por proporcionar a realização da monografia em suas instalações. Ao meu orientador, Prof. Dr. Rafael de Pelegrini Soares, pela dedicação e pela disposição para esclarecimento de dúvidas; por toda a paciência, compreensão e orientação na conclusão desta etapa. Agradeço à minha coorientadora, Patrícia Fernandes, por compartilhar sua experiência profissional, possibilitando a realização desta monografia. Agradeço a Laís, por se tornar muito mais que um apoio profissional em tão pouco tempo de convivência. Por me acalmar e me cooorientar no trabalho. Sua ajuda foi essencial! Aos colegas da Chemtech, que colaboraram, estimularam e permitiram a realização deste estudo. Obrigada a todos pelo carinho e torcida! A realização desta monografia também jamais seria possível sem o incentivo e apoio dos meus pais e sem a motivação, os conselhos e o suporte emocional proporcionados pela minha irmã, Chris, ao longo destes anos. Ao Vítor, pela companhia e ajuda em mais essa conquista. Ao meu amigo Erick, por estar sempre presente, me salvando e me animando, mesmo nos momentos em que tudo parecia estar perdido! Aos meus amigos, professores da UFV e da UFRGS pelo carinho e por tornaram minha trajetória acadêmica repleta de lembranças agradáveis! Agradeço a todos por torcerem pelo meu sucesso! Sem dúvida, vocês foram fundamentais para essa vitória! Muito obrigada!

3 DEQUI / UFRGS Adriana Karla Goulart Resumo As válvulas de segurança e alívio, do inglês Pressure Safety Valve (PSVs), protegem equipamentos que atuam nos processos cuja pressão de operação pode ultrapassar sua máxima pressão admissível de trabalho. As PSVs são utilizadas como um dos últimos dispositivos de segurança em uma planta, e, em caso de falha das mesmas, os equipamentos por elas protegidos podem ser danificados, oferecendo risco de morte para as pessoas que trabalham no local. Por isso, faz-se necessário o correto dimensionamento dessas válvulas. As normas existentes empregam diferentes metodologias para determinar o orifício de uma PSV atuando com fluidos bifásicos. Dada a dificuldade de se realizar testes em bancada, que simulam o processo real de uma planta nessas condições, nenhum método ainda é certificado. Assim, o presente trabalho estuda o dimensionamento do orifício de uma PSV, considerando a 7ª e a 8ª edição da norma API RP 520, por ser a mais utilizada no projeto desse tipo de válvula. As diferenças entre as metodologias são apresentadas e discutidas. O modelo do cenário de alívio da PSV foi construído no software Aspen Plus, que gerou os parâmetros de processo necessários para a realização dos cálculos. Os dados de equilíbrio de fase, provenientes da expansão isentrópica pela válvula, foram determinados por meio do programa VLEFlash. Os resultados dos dimensionamentos indicaram que a 7ª edição da API apresentou o método mais conservativo. Porém, utilizar a 8ª edição da norma parece ser a opção mais sensata, uma vez que, somente esta edição considera a condição de escoamento bifásico no bocal. Diante disso, ressalta-se a necessidade de se desenvolver testes em bancada que comprovem a capacidade das válvulas calculadas por essas metodologias. Palavras-chave: Válvula de segurança e alívio de pressão, fluido bifásico, vaporização, e dimensionamento.

4 Agradecimentos Resumo Lista de Figuras Lista de Tabelas Lista de Símbolos Lista de Abreviaturas e Siglas Dimensionamento de Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão atuando com Fluidos Bifásicos Sumário 1 Introdução 1 2 Revisão Bibliográfica Principio de Funcionamento das Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão Terminologia Básica Principais Tipos de Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão Válvulas de Alívio Válvulas de Segurança Válvulas de Segurança e Alívio Capacidade das Válvulas e Escolha do Bocal Expansão Isentrópica Vaporização Devido à Passagem do Fluido por uma Restrição Velocidade do Som e Número de Mach Fluxo Crítico e Fluxo Subcrítico Método do Equilíbrio Homogêneo Dimensionamento das PSVs, segundo a API RP 520 7ª Edição Dimensionamento para Fluidos Bifásicos Determinação da Condição de Fluxo Crítico e Fluxo Subcrítico Dimensionamento para Vapores ou Gases Dimensionamento para Líquidos Dimensionamento das PSVs Segundo a API RP 520 8ª Edição Determinação da Região Sub-Resfriada Determinação da condição de fluxo crítico ou subcrítico Determinação do fluxo de massa Determinação da área requerida 24 3 Estudo de Caso e Metodologia Estudo de Caso Metodologia Computacional Construção do Modelo no Simulador Determinação dos Dados de Equilíbrio de Fases 27 4 Resultados e Discussão Dimensionamento da PSV Conforme a 7ª Edição da API Determinação da Condição de Fluxo Crítico e Fluxo Subcrítico 28 i iii iv vi

5 DEQUI / UFRGS Adriana Karla Goulart Cálculo das Áreas Requeridas para o Orifício conforme 7ª Edição da API Obtenção dos Dados de Equilíbrio de Fases Dimensionamento da PSV Conforme a 8ª Edição da API Seleção do Bocal da Válvula de Segurança e Alívio 31 5 Conclusões 32 6 Referências 33 ANEXO 35

6 DEQUI / UFRGS Adriana Karla Goulart i Lista de Figuras Figura 1-1- Múltiplas camadas de segurança (Adaptação de CHEDDIE; GRUHN, 2006). 1 Figura Válvula de segurança e alívio de pressão convencional (API parte I, 2000). 3 Figura Curva de funcionamento de uma válvula de segurança (LESER, 2012a) 4 Figura 2-3 Relação entre a pressão de operação e a elevação do disco de uma PSV 4 Figura 2-4 Níveis de pressões desenvolvidas pela PSV (Adaptação de API parte I, 2000). 6 Figura 2-5 PSV com castelo aberto e castelo fechado, respectivamente. 7 Figura 2-6 Válvula de segurança e alívio convencional e balanceada tipo fole, respectivamente. 8 Figura 2-7 Válvula de segurança e alívio balanceada tipo pistão (LESER, 2012a). 8 Figura 2-8- Expansão isentrópica em uma turbina simples (ÇENGEL; BOLES p.343). 10 Figura 2-9 Área correspondente ao calor transferido em um processo 10 Figura 2-10 Diagrama de Mollier de um Processo Adiabático (ÇENGEL; BOLES. 2006, p. 343). 11 Figura 2-11 Diagrama Txs representando dois estados que possuem a mesma entropia. 11 Figura 2-12 Diagrama T x h e Diagrama h x s, respectivamente (MORAN; SHAPIRO, p. 251). 12 Figura 2-13 Comparação entre uma expansão real e uma isentrópica através de uma turbina. 12 Figura 2-14 Representação da Vena Contracta (FISHER, 2005, p.136). 13 Figura 2-15 Comparação entre o perfil de pressão e o valor de recuperação da 13 Figura 2-16 Efeito da pressão a jusante na operação de um bocal convergente 15 Figura 2-17 Metodologia proposta pela 7ª edição da API 520 para calcular a área 17 Figura 2-18 Procedimentos para calcular a região de sub-resfriamento. 21 Figura Procedimentos para a determinação a pressão crítica e condição de 22 Figura 2-20 Procedimentos para a determinação do fluxo de massa 23 Figura 3-1- Flowsheet criado no Aspen Plus para simular uma PSV atuando nas condições de abertura. 26 Figura 3-2- Flowsheet criado no Aspen Plus para simulação do processo de vaporização do fluido nas condições de entrada da PSV. 27 Figura Diagrama de fases da mistura de C4 obtido pelo software VLEFlash 30 Figura 1 Curva de Determinação da Constante C de Escoamento de Gases ou Vapores em Função da Razão de Calores Específicos k=cp/cv. 35

7 ii Dimensionamento de Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão atuando com Fluidos Bifásicos Figura 2 Fator de Correção da Contrapressão (K b ) em Função da Razão entre Pressão de Abertura e Contrapressão (%). 35 Figura 3 Fator de Correção de Capacidade (K w ) em Função da Razão entre a Pressão de Abertura e Contrapressão (%) para Válvulas com Líquido. 36 Figura 4 Fator de Correção da Contrapressão (K b ) em Função da Razão entre a Contrapressão e a Pressão de Saturação (%) 37 Figura 5 Correlação para Fluxo Crítico do Bocal para um Líquido de Entrada Subresfriado. 37

8 DEQUI / UFRGS Adriana Karla Goulart iii Lista de Tabelas Tabela 2-1 Áreas dos orifícios de descarga para LESER API séries 526 (LESER, 2012d)...9 Tabela 2-2 Variáveis utilizadas no dimensionamento das PSVs atuando com gases na condição de fluxo crítico ou subcrítico (API parte I, 2000) Tabela 2-3 Variáveis Utilizadas no Dimensionamento das PSVs operando com líquidos 19 Tabela 2-4 Cenários de alívio para fluidos bifásicos (API parte I, 2008) Tabela Variáveis utilizadas nos dimensionamentos de PSVs operando com fluidos bifásicos...24 Tabela 4-1 Pressão crítica para a contrapressão superimposta de 0 kgf/cm².g e 1,5 kgf/cm².g Tabela 4-2- Parâmetros para o cálculo da área requerida segundo a API 520 7ª Edição. 29 Tabela Áreas calculadas e áreas selecionadas para os orifícios conforme API 520-7ª Edição Tabela 4-4-Parâmetros utilizados no dimensionamento da API 520 8ª Edição...30 Tabela 4-5- Resultados encontrados obtidos para os cálculos de dimensionamento do orifício Tabela 4-6- Comparação dos resultados das áreas calculadas....31

9 iv Dimensionamento de Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão atuando com Fluidos Bifásicos A = Área da Tubulação, m 2 Lista de Símbolos A = Área requerida do orifício, mm 2.. C = Constante de escoamento do gás nas condições de alívio,.. Di = Diâmetro interno, m F 2 = Coeficiente de fluxo subcrítico, adimensional G = Densidade do líquido na temperatura de descarga em relação à água (1atm à 70 F), adimensional G = Fluxo de massa, kg/s.m 2 h = Entalpia, KJ/mol K = Razão de calores específicos para gás ideal, adimensional K b = Fator de correção de contrapressão, adimensional K c = Coeficiente de correção para instalações com disco de ruptura, adimensional K d = Coeficiente de descarga, adimensional K v = Fator de correção de viscosidade, adimensional K w = Fator de correção de contrapressão, adimensional M = Peso molecular médio do vapor, kg/kmol P 1 = Pressão de abertura, KPa abs P 1 = Pressão de alívio a montante, kgf/cm 2.g P 2 = Contrapressão desenvolvida, KPa abs P a = Contrapressão a jusante, KPa P o = Pressão absoluta nas condições iniciais de vaporização, KPa abs P o = Pressão de ajuste da PSV+sobrepressão+pressão atmosférica, KPa P s = Pressão de saturação, KPa P x = Pressão absoluta nas condições finais de vaporização, KPa abs Q = Capacidade de líquido requerida, L/min Q rev = Quantidade de calor reversível, kj/kg

10 DEQUI / UFRGS Adriana Karla Goulart v R = Número de Reynolds, adimensional S 1 = Entropia inicial, kj/kg.k S 2 = Entropia final, kj/kg.k T = Temperatura de alívio, K V = Velocidade, m/s v som = Velocidade do som, m/s W = Vazão mássica de alívio requerida, Kg/h Z = Fator de compressibilidade do gás, adimensional Δh = Variação da entalpia, kj/mol η = Razão de contrapressão, adimensional η nozzle = Eficiência isentrópica, % η a = Relação da pressão subcrítica, adimensional η c = Razão da pressão crítica, adimensional η s = Razão da pressão de transição de saturação, adimensional η st = Razão da pressão de saturação, adimensional ν o = Volume específico do fluido bifásico nas condições iniciais de vaporização, m 3 /kg ν x = Volume específico do fluido bifásico nas condições finais de vaporização, m 3 /kg ρ = Massa específica do fluido, kg/m 3 ρ 9 = Densidade a 90% da pressão de saturação, Kg/m 3 ρ lo = Densidade do líquido na entrada da PSV, Kg/m 3 ρ o = Densidade do fluido bifásico nas condições iniciais de vaporização, Kg/m 3 ρ x = Densidade do fluido bifásico nas condições finais da vaporização, Kg/m 3 ω = Parâmetro Ômega, adimensional ω s = Parâmetro Ômega de Leung, adimensional P = Diferença entre a pressão de saída e de entrada no bocal, kgf/m 2 S = Variação da entropia, kj/kg.k µ = viscosidade, cp

11 vi Dimensionamento de Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão atuando com Fluidos Bifásicos Lista de Abreviaturas e Siglas API - American Petroleum Institute Instituto Americano de Petróleo ASME - American Society of Mechanical Engineers Sociedade Americana dos Engenheiros Mecânicos HAZOP - Hazard and Operability Studies Estudo dos Perigos e Operacionalidades HEM Homogeneous Equilibrium Model Modelo do Equilíbrio Homogêneo MAWP Maximum Allowable Working Pressure Máxima Pressão de Trabalho Admissível. PSV Pressure Safety Valve Válvulas de Segurança de Pressão SPEC Specification Especificação

12 DEQUI / UFRGS Adriana Karla Goulart 1 1 Introdução Os processos envolvidos em uma indústria química são conhecidos por sua elevada complexidade. Muitas plantas desse segmento lidam com fluidos agressivos e condições de pressão e temperatura elevadas que, ao serem mal controlados, colocam em risco o meio ambiente e a segurança das pessoas que trabalham no local. Os equipamentos e as tubulações de uma planta são dimensionados para resistir a uma condição de operação limite. Algumas das condições que causariam elevações anormais da pressão são provenientes das reações químicas indesejáveis, fogo em equipamentos, falha nos sistemas de utilidades e bloqueios indevidos em compressores e descargas de bombas (API 521, 1997). Os riscos originados das variações de processo são caracterizados pela possibilidade da sua ocorrência e severidade das suas consequências. As múltiplas camadas de segurança são projetadas a fim de reduzir os acidentes em uma planta. As camadas de prevenção reduzem a probabilidade de um evento perigoso ocorrer e as camadas de mitigação reduzem as consequências de um evento que já ocorreu (CHEDDIE; GRUHN, 2006). Na tentativa de retomar as condições normais de operação, instrumentos de controle são acionados. Dispositivos elétricos, pneumáticos e hidráulicos são utilizados para controlar variações de temperatura, pressão ou vazão em uma planta. Entretanto, esses instrumentos se tornam inoperantes quando há falha no fornecimento de energia. Nestes casos, as válvulas de segurança e alívio de pressão (PSV) são empregadas, sendo consideradas como um dos últimos recursos de proteção, em refinarias e petroquímicas, por exemplo, para proteger caldeiras, linhas ou vasos pressurizados propensos a uma sobrepressão que supere a máxima pressão de trabalho admissível (Maximum Allowable Working Pressure - MAWP). Inserida na primeira camada de mitigação de acidentes, conforme indicado na Figura 1-1, a PSV é atuada por fluidos compressíveis na forma líquida ou gasosa com o intuito de aliviar a pressão excedente à de operação dos equipamentos que se deseja proteger. A válvula abre em um valor de pressão determinado e de forma proporcional ao aumento do fluxo até que a pressão atinja novamente o valor normal de operação. Figura 1-1- Múltiplas camadas de segurança (Adaptação de CHEDDIE; GRUHN, 2006).

13 2 Dimensionamento de Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão atuando com Fluidos Bifásicos A ausência de dispositivos de segurança eficientes foi responsável, entre 1870 e 1910, pela ocorrência de cerca de explosões em caldeiras (ASME, 2012). O mau uso, a falta de manutenção e o dimensionamento incorreto dessas válvulas são os principais fatores que podem torná-las inoperantes frente ao excesso de pressão de um sistema. Em caso de falha desses instrumentos, linhas podem ser rompidas e vasos podem explodir, colocando em risco a planta e as pessoas que transitam no local, além de causar o vazamento de produtos, poluindo o meio ambiente. Existem normas que estabelecem os critérios para o dimensionamento do orifício, classe de pressão e o tipo da válvula a ser empregada, como, por exemplo, as normas ISO , AD Merkblatt 2000-A2, ASME Seção I e VIII e API RP 520. A seleção depende dos dados de processo e da escolha do cenário de operação que leva ao dimensionamento mais conservativo. Entretanto, nenhuma das metodologias existentes nestas normas, por exemplo: FISHER (1992), CENTER FOR CHEMICAL PROCESS SAFETY (1998) e FAUSKE (1999) podem ser consideradas consolidadas para calcular a área do orifício de uma PSV na qual ocorre vaporização de parte do fluido ao atravessar sua restrição (DARBY, 2000). Para dimensionar as válvulas com fluidos bifásicos, por exemplo, a norma da 7ª Edição da API 520 se baseia na soma das áreas requeridas, calculadas individualmente, para a fração vapor e líquida que atravessam o orifício. Logo, o método não considera as propriedades de uma mistura bifásica em seus cálculos nem a vaporização do fluido através da válvula. Em oposição, a norma da 8ª Edição da API 520 é baseada no Método de Equilíbrio Homogêneo de Leung Ômega, onde o fluxo é considerado homogêneo e há equilíbrio térmico e mecânico entre as fases. As diferenças apresentadas nessas metodologias podem influenciar na escolha do orifício, portanto, deve ser analisada a influência destas no superdimensionamento ou subdimensionamento deste instrumento. Um dos efeitos do superdimensionamento de uma PSV é conhecido como batimento ou, em inglês, chattering, que se trata do movimento de abertura e fechamento rápido e sucessivo da válvula durante o alívio, danificando sua estrutura. Neste caso, a área do orifício é superior à necessária e, desta forma, a pressão é aliviada em um período pequeno, resultando no fechamento rápido da válvula. O aumento da pressão na entrada da válvula faz com que ela abra novamente e o processo se repita. Em contrapartida, quando há subdimensionamento, a pressão do sistema pode ser reduzida lentamente, prolongando a condição de sobrepressão nos equipamentos e possível rompimento destes, ou então, a abertura da válvula pode ser antecipada, provocando vazamentos e desgaste da sua superfície e da sua vedação (API parte I, 2000). Este trabalho, portanto, visa comparar e determinar qual dos métodos apresentados nas normas de referência é mais eficaz para dimensionar o orifício de uma PSV quando este reduz a pressão de um líquido saturado abaixo de sua pressão de vapor, resultando na vaporização parcial desse fluido. Avaliar a melhor metodologia de cálculo é imprescindível para dimensionar corretamente a válvula.

14 DEQUI / UFRGS Adriana Karla Goulart 3 2 Revisão Bibliográfica Para a escolha do melhor modelo de PSV a ser utilizado em um processo é preciso conhecer, além das condições de operação e do projeto do equipamento a ser protegido, o funcionamento e as características operacionais deste instrumento. 2.1 Principio de Funcionamento das Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão A PSV é um dispositivo que opera automaticamente, evitando que um sistema seja submetido à pressão acima da máxima pressão de trabalho admissível (Maximum Allowable Working Pressure - MAWP) do equipamento que se deseja proteger. A Figura 2-1 representa uma PSV convencional e seus principais componentes. Figura Válvula de segurança e alívio de pressão convencional (API parte I, 2000). Em condições normais de operação, a pressão exercida pelo fluido sobre o disco da PSV é menor que a força da mola atuando no mesmo e, estando o disco pressionado contra o bocal, a válvula é mantida fechada. A válvula inicia sua abertura a uma pressão específica, chamada pressão de ajuste (que é igual à MAWP), e neste ponto as forças atuando sobre o disco de vedação estão em equilíbrio. À medida que aumenta a pressão exercida sobre o disco, mais fluido é aliviado pela abertura da válvula, e consequentemente maior é a superação à contrapressão exercida pela mola. Quando a válvula atinge a capacidade máxima de abertura, a força da mola encontra-se equilibrada com a pressão de projeto do equipamento, conhecida como pressão de alívio, que é a soma da pressão de abertura mais sobrepressão. Por fim, no momento em que todo o excesso de pressão tiver sido aliviado a pressões menores que a de abertura, a válvula fechará (API parte I, 2000). A Figura 2-2 descreve o comportamento do aumento da pressão com o tempo, incluindo o curso total da PSV e a diferença entre as pressões de abertura e a de fechamento.

15 4 Dimensionamento de Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão atuando com Fluidos Bifásicos Figura Curva de funcionamento de uma válvula de segurança (LESER, 2012a) Na Figura 2-3 é apresentada a relação entre a pressão de abertura, a de fechamento e a máxima pressão apresentada por uma PSV com a porcentagem de abertura do disco. Figura 2-3 Relação entre a pressão de operação e a elevação do disco de uma PSV (API parte I, 2000). 2.2 Terminologia Básica Existem diferentes classificações para as pressões envolvidas no funcionamento das PSVs. As principais estão descritas abaixo: Pressão de Projeto: É a pressão para a qual as válvulas devem ser projetadas a fim de atender às condições de pressão e temperatura mais severas, previstas em operação normal. Pressão de Operação: Pressão à qual o sistema está normalmente submetido em serviço e que atuará sobre a válvula. Deve ser prevista uma margem adequada entre a pressão de operação e a máxima pressão de trabalho admissível (MAWP).

16 DEQUI / UFRGS Adriana Karla Goulart 5 Pressão Máxima de Trabalho Admissível (MAWP): É a máxima pressão de trabalho permitida pelo código de projeto de um equipamento, considerando a resistência dos materiais utilizados, as dimensões do equipamento e seus parâmetros operacionais. É considerada a base para o ajuste da pressão das válvulas de segurança. Pressão de Abertura (Também conhecida como Pressão de Set ou de Ajuste): É a pressão manométrica na qual a válvula abre em bancada de teste, incluindo correções para contrapressão e temperatura. Em uma válvula de segurança, a pressão de ajuste é o ponto de explosão POP, ou seja, abertura instantânea. Em uma válvula de alívio, a pressão de ajuste é o ponto no qual a válvula inicia a descarga. Diferencial de Alívio ( Blow Down ): É o diferencial entre a pressão de abertura e a pressão de fechamento de uma válvula de alívio de pressão, expresso como porcentagem da pressão de abertura, ou libras por polegada quadrada manométrica. Pressão de Alívio: Pressão na qual a válvula alivia a capacidade máxima, para qual foi dimensionada. É igual à pressão de abertura mais a sobrepressão. Sobrepressão: Incremento de pressão acima da pressão de abertura da válvula que permitirá a máxima capacidade de descarga. Normalmente expressa em porcentagem da pressão de abertura. Devem ser adotados os seguintes valores, calculados a partir da pressão de abertura, de acordo com a ASME: Ar e gases Vapor (linha) Fogo Vapor (caldeira) Líquidos 10% (Seção VIII); 10% (Seção VIII); 21% (Seção VIII); 3% (Seção I); 25% (não codificado) e 10% (Seção VIII). Contrapressão Superimposta: Pressão no header antes de a descarga ocorrer. Pode ser constante ou variável. Contrapressão Desenvolvida: É o acréscimo de pressão que se desenvolve no header quando há uma descarga. Contrapressão Total: É a soma das contrapressões superimposta + desenvolvida As relações entre esses termos estão representadas na Figura 2-4 (API parte I, 2000).

17 6 Dimensionamento de Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão atuando com Fluidos Bifásicos Figura 2-4 Níveis de pressões desenvolvidas pela PSV (Adaptação de API parte I, 2000). 2.3 Principais Tipos de Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão Válvulas de Alívio As válvulas de alívio operam com líquidos e seguem o mesmo funcionamento descrito na Seção 2.1. Ao serem projetadas para vasos, elas podem alcançar um excesso de pressão de até 10% do valor da pressão de ajuste e, para serviços que requerem o alívio de altas quantidades de líquido (como em descargas de bombas), a sobrepressão pode chegar a até 25%, dependendo do cenário de alívio (API parte I, 2000). O diferencial de alívio, que constitui a diferença percentual entre a pressão de abertura e a pressão de fechamento, é constante. Segundo a ASME VIII, para a proteção de vasos, esse valor é cerca de 7% da pressão de abertura. Para líquidos, esse valor pode atingir até 20%, dependendo da operação, conforme cita a 7ª Edição da API. A descarga de válvulas de alívio pode ser realizada em sistemas fechados, sendo que a pressão existente inicialmente no local é denominada contrapressão superimposta. Para um valor fixo, a contrapressão superimposta é desconsiderada na calibração do instrumento e, para um valor variável, não se utiliza esse tipo de válvula.

18 DEQUI / UFRGS Adriana Karla Goulart 7 Exceto para operações com água, o castelo destas válvulas é fechado (ver Figura 2-5), de modo que não libere fluido para atmosfera. Figura 2-5 PSV com castelo aberto e castelo fechado, respectivamente. (LESER, 2012b) Válvulas de Segurança Válvulas de segurança são projetadas para sistemas contendo gases ou vapores, uma vez que proporcionam uma abertura rápida para uma pequena sobrepressão. Quando a válvula de segurança está fechada, a pressão de operação é menor que a força da mola atuando sobre o disco. A partir do momento em que o valor da pressão aproxima-se daquela correspondente à força exercida pela mola, haverá um vazamento do gás para uma câmara formada pelo suporte do disco, bocal e anel de regulagem. Neste local, o gás expandirá criando uma pressão adicional sobre o suporte do disco. Atingido o ponto de abertura, a soma das pressões atuando sobre o disco e sobre seu suporte superam a força da mola, de modo que a válvula abra instantaneamente. O fechamento da válvula irá ocorrer quando a força da mola superar novamente a soma das pressões no disco e no suporte (API parte I, 2000). As válvulas de segurança são comumente utilizadas em caldeiras de geração de vapor e processos com ar ou vapor de água. Nestes casos, o alívio pode ocorrer para a atmosfera e as válvulas são projetadas - dependendo do cenário de alívio - com uma sobrepressão de 3% em caldeiras e 10% em vasos de pressão, conforme as seções I e VIII da ASME, respectivamente. A pressão de fechamento é cerca de 5 a 7% menor que a pressão de ajuste em vasos de pressão e 4% em caldeiras (ASME I; ASME VIII. Divisão ) Válvulas de Segurança e Alívio As válvulas de segurança e alívio são dispositivos automáticos, utilizados como válvula de alívio ou válvula de segurança, sendo classificadas como balanceada ou convencional. A válvula convencional é aplicável caso o acréscimo de pressão desenvolvido na linha de descarga após a abertura da válvula (contrapressão desenvolvida) seja menor que 10% da pressão de ajuste. No entanto, há casos em que a contrapressão desenvolvida não é constante, por exemplo, quando várias válvulas descarregam em uma mesma linha. Nestes casos, utiliza-se uma válvula balanceada com fole (Figura 2-6) para neutralizar o efeito da variação. O fole reduz a superfície superior do disco que está submetida à contrapressão desenvolvida, tornando a área superior e inferior com igual valor. Ademais, o fole isola o castelo e a haste da válvula, permitindo assim a operação com fluidos corrosivos e gases tóxicos ou inflamáveis (API parte I, 2000).

19 8 Dimensionamento de Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão atuando com Fluidos Bifásicos A válvula balanceada com fole é empregada em casos de contrapressão variável ou alta, sendo que o valor da contrapressão total (superimposta + desenvolvida) não deve exceder 50% da pressão de ajuste (API parte I, 2000). Figura 2-6 Válvula de segurança e alívio convencional e balanceada tipo fole, respectivamente. (LESER, 2012c) Na válvula balanceada com pistão (Figura 2-7) a contrapressão é anulada, uma vez que as áreas superior e inferior do disco são iguais. Os gases que escapam do castelo devem ser removidos, por meio de um dreno, para um lugar seguro. A descarga pode ser realizada para a atmosfera quando o fluido em questão não for tóxico. Figura 2-7 Válvula de segurança e alívio balanceada tipo pistão (LESER, 2012a).

20 DEQUI / UFRGS Adriana Karla Goulart Capacidade das Válvulas e Escolha do Bocal A capacidade de vazão de uma válvula de segurança é obtida através da relação entre a área de passagem e a pressão de abertura da válvula. A capacidade total de alívio da PSV conectada a um vaso ou, a qualquer equipamento que se deseja proteger dos efeitos da sobrepressão, deve ser suficiente para descarregar a máxima quantidade de excesso de fluido gerado, de forma que não haja um aumento de pressão além da MAWP do equipamento. A área calculada para a passagem do fluido é denominada área requerida e deve apresentar um valor inferior ou igual à área dos bocais que são comercializados pelos fabricantes das PSVs. Os padrões existentes para cada orifício são obtidos pela API-RP-526, sendo designadas por meio de letras que vão desde D até T (0,110 pol² até 26pol²), como pode ser verificado na Tabela 2-1 (LESER, 2012d). Tabela 2-1 Áreas dos orifícios de descarga para LESER API séries 526 (LESER, 2012d) 2.5 Expansão Isentrópica Processos nos quais a entropia de um determinado sistema é mantida constante são ditos processos isentrópicos. A entropia de determinada massa fixa pode ser alterada pela transferência de calor ou também pela ocorrência de algum processo irreversível (ÇENGEL; BOLES. 2006). Muitos elementos de engenharia como bombas, turbinas, difusores e bocais podem ser considerados em alguns casos adiabáticos. Suas operações e performances são otimizadas quando irreversibilidades do processo são minimizadas (como por exemplo, o atrito). Por isso, processos isentrópicos são muito importantes para a análise de casos limites. Na medida em que servem de modelo para muitas simulações e cálculos, permitem, por exemplo, que se façam comparações entre uma operação qualquer e aquela tida como a ideal. A Figura 2-8 ilustra a aplicação de uma turbina simples, representando o caso limite de uma expansão isentrópica. Nela, os valores iniciais e finais da entropia do fluido permanecem constantes:

21 10 Dimensionamento de Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão atuando com Fluidos Bifásicos Figura 2-8- Expansão isentrópica em uma turbina simples (ÇENGEL; BOLES p.343). A variação da entropia do sistema que é conduzido de um estado para outro por um processo internamente reversível ou internamente irreversível, irá apresentar o mesmo valor para diferentes transformações ocorridas entre esses dois estados. Sendo assim, a entropia é uma propriedade do sistema e sua variação é dada por (MORAN; SHAPIRO, 2006): ds = Equação 2-1 onde: ds: variação da entropia (kj/kg.k); dq rev : quantidade de calor reversível transferida entre os estados inicial e final (kj/kg); T: temperatura absoluta (K). Os processos adiabáticos reversíveis são ditos também processos isentrópicos, porém o contrário nem sempre se verifica. Em outras palavras, processos isentrópicos não são, necessariamente, processos adiabáticos reversíveis. Contudo, em termodinâmica, geralmente se utiliza a denominação isentrópico para se referir a processos adiabáticos, internamente reversíveis (ÇENGEL; BOLES. 2006). Para se analisar a entropia de um sistema, frequentemente são empregados diagramas que relacionam temperatura versus entropia e entalpia versus entropia. Nos diagramas T x s, tem-se que a área sobre a curva representa a transferência de calor estabelecida no processo internamente reversível, conforme se verifica na Figura 2-9. Figura 2-9 Área correspondente ao calor transferido em um processo internamente reversível de um sistema fechado (ÇENGEL; BOLES p.344).

22 DEQUI / UFRGS Adriana Karla Goulart 11 A representação de h x s - também denominada Diagrama de Mollier (Figura 2-10) - é muito utilizada na engenharia para descrever dados operacionais de equipamentos em regime permanente, como em bombas, turbinas e bocais. Para a determinação do trabalho em um bocal, por exemplo, se utiliza a medida Δh, e para as irreversibilidades, Δs (ÇENGEL; BOLES, 2006). Figura 2-10 Diagrama de Mollier de um Processo Adiabático (ÇENGEL; BOLES. 2006, p. 343). Os diagramas T x s são úteis para localizar estados e representar processos. As propriedades nos pontos 1 e 2 da Figura 2-11 contém a mesma entropia e podem ser relacionadas pela linha vertical que passa por esses dois estados (ÇENGEL; BOLES, 2006). Figura 2-11 Diagrama Txs representando dois estados que possuem a mesma entropia. (ÇENGEL; BOLES, p. 343). Por meio dos diagramas T x s e h x s (Figura 2-12), é possível localizar estados e representar processos cujas propriedades podem ser relacionadas quando possuírem em comum o eixo da entropia. Nessas representações, por exemplo, são bastante exploradas as linhas de propriedade constante, como as da entalpia, volume específico e pressão, para diferentes valores de temperatura e entropia.

23 12 Dimensionamento de Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão atuando com Fluidos Bifásicos Figura 2-12 Diagrama T x h e Diagrama h x s, respectivamente (MORAN; SHAPIRO, p. 251). Outra aplicação em que a referência de um processo isentrópico é importante é em expansões em turbinas. O gráfico da Figura 2-13 apresenta curvas comparativas de trabalho real e isentrópico para tais equipamentos. Os bocais que operam adiabaticamente ocorrem somente se a entropia na saída do bocal for maior que na entrada. O estado indicado por 2s (Figura 2-13) é atingido quando se realiza um processo isentrópico no sistema. A eficiência isentrópica é dada pela razão entre a energia cinética do gás que deixa o bocal e a energia cinética do gás que deixa o bocal em uma expansão isentrópica. Neste caso, os mesmos estados de admissão e pressão de descarga devem ser considerados (MORAN; SHAPIRO, 2006): η = / ( / ) Equação 2-2 Figura 2-13 Comparação entre uma expansão real e uma isentrópica através de uma turbina. (MORAN; SHAPIRO, p. 251).

24 DEQUI / UFRGS Adriana Karla Goulart 13 Bocais costumam apresentar valores de eficiência superiores a 95%, o que demonstra que tais equipamentos, quando bem projetados, praticamente são isentos de irreversibilidades internas (MORAN; SHAPIRO, 2006). 2.6 Vaporização Devido à Passagem do Fluido por uma Restrição A seção mínima que o fluido atravessa por um orifício de restrição é chamada de Vena Contracta (Figura 2-14). Neste ponto, há um aumento da velocidade do fluxo e redução da pressão. A passagem de um fluido por uma restrição ou orifício provoca uma perda de carga no sistema. Se a pressão atingir um valor abaixo da pressão de vapor do fluido, parte do líquido irá vaporizar abruptamente. O processo de vaporização pode causar danos por desgaste ou abrasão na estrutura do instrumento ou tubulações adjacentes quando houver implosão ou colapso das bolhas formadas na região adjacente a superfície sólida (FISHER, 2005) Figura 2-14 Representação da Vena Contracta (FISHER, 2005, p.136). A vaporização do fluido é resultado do aumento da velocidade do fluido durante a passagem deste pela restrição e concomitante redução da pressão a um valor abaixo da pressão de vapor do fluido. Devido ao aumento da área na saída do orifício, o líquido expande, provocando uma redução na velocidade do sistema. Consequentemente, a pressão aumenta e o valor que atinge é inferior ao da pressão de entrada (Figura 2-15). Essa diferença de pressão entre a entrada e saída da válvula (ΔP) é convertida em energia dissipada. Figura 2-15 Comparação entre o perfil de pressão e o valor de recuperação da pressão de saída (FISHER, 2005, p. 137). A restrição do fluxo por um bocal é realizada sob condições adiabáticas quando não há troca de energia sob forma de calor do sistema com o meio (FISHER, 2005).

25 14 Dimensionamento de Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão atuando com Fluidos Bifásicos 2.7 Velocidade do Som e Número de Mach Ao atravessar uma restrição os gases podem adquirir velocidades relativamente altas e apresentar variações em suas massas específicas. Esse tipo de escoamento é denominado compressível e a velocidade do som é um parâmetro importante para o estudo deste fenômeno (MORAN; SHAPIRO, 2006). A onda acústica gerada por uma variação de pressão - como o fechamento brusco de uma válvula - é propagada em um fluido gasoso confinado, com consequente formação de ruído. A velocidade máxima em que a propagação dessas informações mecânicas é transmitida por um fluido, denomina-se velocidade do som (FOX; MCDONALD, 2001). O Número de Mach é a razão entre a velocidade do fluido e a velocidade do som em suas condições de escoamento, sendo que, velocidade do fluido no interior de um tubo é dada por (FOX; MCDONALD, 2001): onde: v = Equação 2-3 Q: vazão volumétrica (m 3 /h); A: área da tubulação (m 2 ); v: velocidade (m/s). No escoamento isentrópico, a propagação de uma onda sonora provoca a variação da pressão e da massa específica de um gás ideal. As variações dessas propriedades relacionam-se com velocidade do som através da equação (FOX; MCDONALD, 2001): onde: ρ: massa específica do fluido (kg/m 3 ); k: razão C p /C v (adimensional); P: pressão absoluta (kgf/cm 2 ); v : velocidade do som (m/s). v =. Equação 2-4 Os valores encontrados para o número de Mach são utilizados no dimensionamento das linhas a montante e a jusante de uma válvula. A velocidade excedente recomendada para evitar a ruptura de equipamentos deve apresentar um valor inferior à velocidade do som. 2.8 Fluxo Crítico e Fluxo Subcrítico A velocidade limite (ou velocidade do som (Mach =1)) é alcançada na saída do orifício de uma válvula, em decorrência da passagem do fluido por uma seção de área mínima. O escoamento através de um bocal convergente possui Mach <1 e é denominado subsônico. Nestes casos, a restrição da área provoca o aumento da velocidade do fluxo e o escoamento é isentrópico (FOX; MCDONALD, 2001). A Figura 2-16 apresenta a descarga de um bocal convergente em que a pressão a jusante (P B ) é controlada. Inicialmente não há fluxo (caso a). Sob as condições de escoamento subsônico, toda redução de P B é transmitida para a montante da válvula, que em consequência, passa a aumentar a vazão (casos b e c). O Mach na saída do bocal aumenta até atingir o valor unitário, onde a

26 DEQUI / UFRGS Adriana Karla Goulart 15 velocidade limite é alcançada e a pressão correspondente é denominada Pressão Crítica 1 (P cf ), caso d. Neste ponto tem-se que o bocal está estrangulado e nenhuma alteração é transmitida para a montante. Assim, a vazão possui um máximo e, como a pressão, apresenta um valor constante. Para pressões a jusante menores que a P cf há expansão isentrópica do fluido para fora do bocal (caso e) (MORAN; SHAPIRO, 2006). Figura 2-16 Efeito da pressão a jusante na operação de um bocal convergente (MORAN; SHAPIRO, 2006, p.433). Considera-se que quando a pressão a jusante do bocal for menor ou igual a P cf haverá fluxo crítico, caso contrário, o fluxo será subcrítico. A descarga de gases e vapores através das PSVs ocorre geralmente sob condição de fluxo crítico e depende da pressão a montante da válvula (API parte I, 2000). 2.9 Método do Equilíbrio Homogêneo Em virtude da falta de dados experimentais no que diz respeito aos fluxos de duas fases em válvulas de segurança e alívio, vários métodos foram criados e estão disponíveis na literatura para esse tipo de dimensionamento, sendo o Método do Equilíbrio Homogêneo (Homogeneous Equilibrium Model - HEM) o mais utilizado (BOCCARDI et al., 2005). Nos cálculos do HEM considera-se que o fluxo analisado é do tipo homogêneo, de forma que ambas as fases estão altamente misturadas e fluem com a mesma velocidade. Como consequência, a mistura bifásica passa a ser vista como uma pseudo-monocomponente, pois as propriedades físicas de cada um dos componentes são aproximadas por médias simples nas condições especificadas. Além da consideração de equilíbrio mecânico, referente às velocidades relativas dos escoamentos das fases, os cálculos utilizando os métodos HEM geralmente consideram também o equilíbrio térmico entre as mesmas. Nos sistemas flash, o equilíbrio termodinâmico (líquido-vapor) se aplica, e por consequência, as propriedades físicas da mistura dependem apenas das condições locais ao longo do percurso de escoamento (temperatura e pressão). Já para os sistemas que não 1 A Pressão Crítica (P cf ) desenvolvida quando o Mach atingir o valor unitário na saída do bocal possui valor e significado distinto da pressão crítica de uma substância que se encontra no ponto crítico termodinâmico, onde a fase líquida e de vapor coexistem em equilíbrio. O ponto crítico pode ser visualizado na região de encontro das linhas de vapor e líquido da Figura 2-12.

27 16 Dimensionamento de Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão atuando com Fluidos Bifásicos apresentam as características flash, caracterizado pela ausência de transferência de massa entre as fases, o método se processa com a igual temperatura. Se, por outro lado, for utilizada a consideração de isolamento térmico entre as fases, então há escoamento do tipo congelado (BOCCARDI et al., 2005). Em sua maioria, os métodos HEM referem-se ao fluxo sem atrito, adiabático e também isentrópico através de um bocal curto e ideal, gerando assim a necessidade de se introduzir um coeficiente nos cálculos como forma de corrigir os valores para as diferentes condições operacionais. Como esses parâmetros estão relacionados ao modelo de escoamento apresentado, a metodologia está limitada a somente algumas condições de operação. Através da integração da equação de Bernoulli, obtém-se a equação geral de fluxo de massa para os métodos HEM: G = ρ 2 / Equação 2-5 G: Fluxo de massa, kg/s.m 2 ρ: densidade da mistura bifásica, kg/m 3 dp: diferença entre a pressão de saída e de entrada do bocal (Kgf/m 2 ) A integração é dada pela diferença da pressão no estado estacionário para a pressão desenvolvida no bocal, sendo que a densidade da mistura bifásica é dada em função da pressão ao longo do caminho termodinâmico entre a entrada e a saída do bocal (FISHER apud BOCCARDI et al., 2005). O Método Ômega é uma versão do HEM e é utilizado para avaliar a densidade da mistura bifásica na integral. É considerado como um dos melhores métodos para a análise de sistemas de alívio de fluxo bifásico para PSVs, e por isso é utilizado pelo Instituto Americano de Petróleo (API) para o dimensionamento desse tipo de equipamento. O método apresenta as seguintes vantagens (BOCCARDI et al., 2005): a) aplica-se tanto para sistemas flash quanto para sistemas não-flash; b) aplica-se para fluxos comprimidos ou não-comprimidos; c) aplica-se para sistemas de duas fases, em condições de entrada saturada ou subresfriada; d) o parâmetro adimensional ω depende apenas das condições de entrada; e) a equação resultante para o calculo do fluxo mássico é baseada na solução analítica da equação geral para os métodos HEM, acima explicitada. As limitações do Método ω são: o uso de vários tipos de equações para diferentes condições de entrada, ter sido desenvolvido para fluidos puros e incluir somente alguns casos de sistemas multicomponentes e pela baixa acuracidade apresentada para pressões menores que 0,5 e abaixo do ponto crítico, bem como, para temperaturas menores que 0,9 (BOCCARDI, 2005). Adicionalmente, estudos mostraram que o método apresenta bons resultados somente para bocais maiores que 6in (DARBY, 2000).

28 DEQUI / UFRGS Adriana Karla Goulart Dimensionamento das PSVs, segundo a API RP 520 7ª Edição A sétima edição da norma propõe que, para fluidos bifásicos, as áreas requeridas para o alívio da fase gasosa e da fase líquida sejam somadas, obtendo-se assim a área total do orifício da PSV Dimensionamento para Fluidos Bifásicos No dimensionamento contendo uma mistura de fases líquida-vapor enquadram-se as seguintes situações de alívio: quando há mistura bifásica na entrada da válvula ou quando há vaporização do fluido ao atravessar a válvula. Para o dimensionamento, determina-se a quantidade de vapor existente na mistura ou a fração vaporizada devido à passagem do fluido pela restrição. Em seguida, avalia-se a condição crítica do fluxo e conforme o resultado calcula-se a área requerida do orifício para essa fração de vapor utilizando a Equação 2-7 ou Equação 2-8. A área correspondente à fração líquida é calculada por meio da Equação Por fim, esses resultados são somados. A válvula de alívio selecionada deverá possuir um orifício com área igual ou maior que o valor calculado. A Figura 2-17 apresenta um esquema das etapas propostas pela 7ª edição da API 520 para calcular a área requerida total do orifício da PSV. Figura 2-17 Metodologia proposta pela 7ª edição da API 520 para calcular a área requerida total do orifício da PSV Determinação da Condição de Fluxo Crítico e Fluxo Subcrítico A razão de pressão de fluxo crítico em unidades absolutas pode ser estimada através da relação de gás ideal, dada por: = Equação 2-6 Sendo: P cf : Pressão de fluxo 1 crítico no bocal (Kgf/cm 2.g); P 1 : Pressão de alívio a montante (Kgf/cm 2.g); K: Razão de capacidades caloríficas para gás ideal Dimensionamento para Vapores ou Gases O dimensionamento de válvulas de segurança e alívio operando com gases ou vapores depende da condição do fluxo desenvolvido (Fluxo Crítico ou Subcrítico).

29 18 Dimensionamento de Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão atuando com Fluidos Bifásicos A área requerida do orifício de gases sob condições de fluxo crítico é dimensionada pela equação: A =,. Equação 2-7 A área requerida de orifício de gases sob condições de fluxo subcrítico por: ( ) A =, Equação 2-8 A Tabela 2-2 contém os parâmetros propostos pela 7ª Edição da API-520, utilizados no cálculo da área requerida para gases e vapores. Tabela 2-2 Variáveis utilizadas no dimensionamento das PSVs atuando com gases na condição de fluxo crítico ou subcrítico (API parte I, 2000). Variável Descrição Unidade Observações W Vazão Mássica de Alívio Requerida Kg/h A Área Requerida do Orifício mm 2 P 1 Pressão de Abertura (Pressão de Alívio + Sobrepressão + Pressão Atmosférica) kpa abs T Temperatura de alívio K K c Coeficiente de correção para instalações com disco de ruptura, adimensional Adimensional K d Coeficiente de descarga adimensional Z Fator de compressibilidade do gás, avaliado na entrada da PSV nas condições de alívio adimensional M Peso molecular médio do vapor kg/kgmol C Constante de escoamento do gás nas condições de alívio kg. kgmol. K mm. hr. kpa P 2 Contrapressão KPa abs K b Fator de correção de contrapressão adimensional F 2 Coeficiente de Fluxo Subcrítico adimensional Kc=1 quando o fluido não é corrosivo ou Kc=0.9 quando não for informado pelo fabricante. Usar Kd=0,975 quando não informado pelo fabricante. Usar Z=1 se a informação não estiver disponível. Figura 1 (anexo) Adotar o maior valor quando for variável Figura 2 (anexo). É usado para válvulas balanceadas. Para válvulas convencionais K b =1. F = k k 1 (r) 1 r 1 r (Equação 2-9) k: razão de calores específicos r: razão entre a contra pressão e pressão de alívio, P 2 /P 1.

30 DEQUI / UFRGS Adriana Karla Goulart Dimensionamento para Líquidos Para as válvulas certificadas pelo Código ASME Seção VIII, que determina uma sobrepressão de 10% para PSVs operando com líquido em vasos pressurizados, a 7ª edição da API 520 propõe a seguinte equação para a área requerida do orifício: A =, Equação 2-10 A Tabela 2-3 contém os parâmetros propostos pela 7ª Edição da API-520, utilizados no cálculo da área requerida para líquidos. Tabela 2-3 Variáveis Utilizadas no Dimensionamento das PSVs operando com líquidos (API parte I, 2000). Variável Descrição Unidade Observações Q Capacidade de líquido requerida L/min A Área Requerida do Orifício mm 2 P 1 K c Pressão de Abertura (Sobrepressão + Pressão de Alívio) Coeficiente de correção para instalações com disco de ruptura, adimensional kpa abs Adimensional K d Coeficiente de descarga Adimensional K w Fator de correção de contrapressão variável, aplicável para válvulas balanceadas. Adimensional K v Fator de correção de viscosidade Adimensional R Número de Reynolds P 2 Contrapressão kpa abs G Densidade do líquido na temperatura de descarga, em relação a água (1atm à 70 o F) Adimensional K c =1 quando o fluido não é corrosivo ou K c =0.9 quando não for informado pelo fabricante. Quando não informado pelo fabricante usar Kd=0,65. K w =1 para contrapressão atmosférica. Válvulas convencionais não requerem correção. Para válvulas balanceadas, ver Figura 3, no anexo. K = 0, , ,75 R (Equação 2-11) R R = Q(18.800G) µ A µ= viscosidade absoluta (cp) (Equação 2-12) O dimensionamento preliminar de um líquido viscoso é realizado considerando K v =1. A área do orifício selecionado deve ser igual ou maior que a calculada e, será usada na (Equação 2-12). O resultado encontrado será utilizado na (Equação 2-11) e, com o novo valor de K v, será novamente calculada a área requerida. Se o orifício selecionado for diferente do previamente escolhido, o procedimento descrito acima deve ser repetido com o valor da área do último orifício selecionado.

31 20 Dimensionamento de Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão atuando com Fluidos Bifásicos 2.11 Dimensionamento das PSVs Segundo a API RP 520 8ª Edição A 8ª edição da API 520 apresenta possíveis cenários referentes ao escoamento bifásico (ver Tabela 2-4), bem como cálculos específicos para cada um destes. Na Tabela 2-4, o termo líquido completamente sub-resfriado significa que o líquido não vaporiza ao passar pela PSV. Já o termo gás não condensável, corresponde a um gás que não condensa facilmente nas condições normais de operação (por exemplo: oxigênio, hidrogênio, dióxido de carbono). Tabela 2-4 Cenários de alívio para fluidos bifásicos (API parte I, 2008). Cenário de Alívio Contendo Fluidos Bifásicos Sistemas bifásicos (misturas líquido-vapor, incluindo líquidos saturados) entram na PSV e vaporizam. Sem a presença de gases não condensáveis. Também contempla fluidos que estão acima ou abaixo do ponto termodinâmico crítico em fluxo bifásico condensado. Sistemas bifásicos (líquido altamente sub-resfriado e gás não condensável, vapor condensável ou ambos) entram na PSV e não vaporizam. Sistemas bifásicos (o vapor na entrada contém pouco gás não condensável e o líquido é saturado ou sub-resfriado) entram na PSV e vaporizam. Gás não condensável entra na PSV. Líquidos sub-resfriado (incluindo líquido saturado) entram na PSV e vaporizam. Nenhum vapor condensável ou gás não condensável entram na PSV. O último cenário da Tabela 2-4 refere-se ao Estudo de Caso em questão e, como as demais metodologias da nova API, suas equações são baseadas no Método de Leung Ômega, o qual é uma versão do Método de Equilíbrio Homogêneo. Este método assume que a mistura de componentes se comporta como um fluido de pseudo-monofase, cuja densidade é a média da densidade volumétrica das duas fases. O método considera que há um equilíbrio térmico e mecânico no fluido bifásico que atravessa a PSV, mesmo para altos valores de descargas, apresentados para bocais maiores que 10cm (API parte I, 2008). O parâmetro Ômega é calculado com base no volume específico e relaciona a densidade das duas fases e a pressão de entrada com a menor pressão adquirida após a passagem pela restrição: ω = = onde: P: pressão absoluta de vaporização (Pa); ρ: densidade do fluido bifásico (Kg/m 3 ); ν: volume específico do fluido bifásico (m 3 /Kg); 0: determina as condições iniciais de vaporização; x: determina as condições finais de vaporização. Equação 2-13